專利名稱：具有數(shù)字負反饋的數(shù)字功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字功率放大器。
本發(fā)明之前的功率放大器(簡稱功放)多為模擬功放，這種功放的共同特征是它的末級功放管工作在放大區(qū)，故這種功放的效率比較低。
本發(fā)明的目的是獲得一種末級功放管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)處于開關(guān)狀態(tài)的數(shù)字功率放大器。


圖1是采用電壓數(shù)字負反饋的數(shù)字功放原理框圖。
圖2是圖1所示數(shù)字功放模塊化后的原理框圖。
圖3是輸出為+E的可變電源原理框圖。
圖4是輸出為-E的可變電源原理框圖。
圖5是電流數(shù)字負反饋原理框圖。
圖6是圖5模塊化后的原理框圖。
圖7是采用電流數(shù)字負反饋的數(shù)字功放原理框圖。
圖8是采用功率數(shù)字負反饋的數(shù)字功放原理框圖。
圖9是采用了可變電源供電的電壓數(shù)字負反饋的數(shù)字功放的原理框圖。
圖10是采用了可變電源供電的電流數(shù)字負反饋的數(shù)字功放的原理框圖。
圖11是采用了可變電源供電的功率數(shù)字負反饋的數(shù)字功放的原理框圖。
圖12是采用直流電源供電的數(shù)字功放工作程序流程簡圖。
圖13是采用可變電源供電的數(shù)字功放工作程序流程簡圖。
圖14是圖1所示的數(shù)字功放的工作程序流程圖。
圖15是圖7所示的數(shù)字功放的工作程序流程圖。
圖16是圖8所示的數(shù)字功放的工作程序流程圖。
圖17是采用可變電源供電的數(shù)字功放的工作程序流程圖。
圖18是具有對稱三相輸出的數(shù)字功放原理框圖。
圖19是具有對稱三相輸出的數(shù)字功放的工作程序流程圖。
圖14到圖17流程圖中各字母的含義如下a-模擬電壓輸出期望值b-模擬電壓輸出實際值c＝a-bd、e-常數(shù)e＞d，例如d＝0.01 e＝0.02a、b、c、d、e的單位是伏(V)f-模擬電流輸出期望值i-模擬電流輸出實際值j＝f-ih、n-常數(shù)n＞h例如h＝0.001 n＝0.002f、i、j、h、n的單位是安(A)p-模擬功率輸出期望值q-模擬功率輸出實際值k＝p-qp、q、k的單位是瓦(w)a1-下一采樣周期模擬電壓輸出期望值。
+E-圖3所示可變電源的輸出電壓
-E-圖4所示可變電源的輸出電壓本發(fā)明的核心采用了一種本發(fā)明稱之為數(shù)字負反饋的技術(shù)。本發(fā)明認為功放的實質(zhì)是一種能量的轉(zhuǎn)換，即將一組直流電源轉(zhuǎn)換成所需要的交流或直流電源供給負載轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，如聲能、光能、機械能等。由于負載的性質(zhì)不同，對功放輸出的電壓、電流和功率也有不同的要求，本發(fā)明采用不同的數(shù)字負反饋來進行控制，使功放輸出的電壓、電流和功率滿足負載的要求。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明予以詳細說明。
實施例1，本實施例硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，按圖14所示工作程序流程圖工作。由圖1可見，本實施例由輸入電路1、A/D轉(zhuǎn)換電路2、A/D轉(zhuǎn)換接口電路3、運算單元4、驅(qū)動接口電路5、驅(qū)動電路6、驅(qū)動電路7、低通濾波器8、輸入電路9、A/D轉(zhuǎn)換電路10、A/D轉(zhuǎn)換接口電路11、并行接口電路12、串行接口電路13、末級開關(guān)管BG1和BG2所構(gòu)成。輸入電路1、A/D轉(zhuǎn)換電路2、A/D轉(zhuǎn)換接口電路3順序電連接；輸入電路9、A/D轉(zhuǎn)換電路10、A/D轉(zhuǎn)換接口電路11順序電連接；驅(qū)動接口電路5有兩個輸出端，一個輸出端與驅(qū)動電路6、BG1的基極順序連接；驅(qū)動接口電路5的另一個輸出端與驅(qū)動電路7、BG2的基極順序連接；BG1、BG2的集電極連接在一起后與低通濾波器8的輸入端相連；低通濾波器8 的輸出端與輸入電路9的輸入端相連；A/D轉(zhuǎn)換接口電路3、A/D轉(zhuǎn)換接口電路11、并行接口電路12、串行接口電路13的輸出端通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4相連；驅(qū)動接口電路5的輸入端也通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4相連；輸入電路1、并行接口電路12、串行接口電路13的輸入端分別與1、2、3號端子相連；正電源+Ee由BG1的發(fā)射極加入；負電源-Ee由BG2的發(fā)射極加入；功放的輸出端為低通濾波器8的輸出端。負栽RL一端與功放的輸出端相連，另一端與“地”相連。輸入電路的作用是把擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的模擬量調(diào)理到適合于A/D轉(zhuǎn)換的形式和幅度上。A/D轉(zhuǎn)換電路的作用是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。各種接口電路的作用是把各種數(shù)字信號的格式和幅度分別轉(zhuǎn)換到適合運算單元4進行數(shù)據(jù)和信息交流的格式和幅度上。驅(qū)動電路的作用是驅(qū)動開關(guān)管的飽和導(dǎo)通與截止。BG1和BG2是開關(guān)管起大功率開關(guān)的作用。低通濾波器的作用是濾除脈沖信號中的高次諧波。運算單元4是本發(fā)明的硬件核心，其實質(zhì)是工作于數(shù)字狀態(tài)的微處理器，具有數(shù)學運算和邏輯運算及對所有外圍芯片進行邏輯控制的功能，它可以由德州儀器公司的DSP芯片或INTEL公司的電腦CPU來實現(xiàn)。模擬信號由1號端子輸入、并行數(shù)字信號由2號端子輸入，串行數(shù)字信號由3號端子輸入，這些輸入信號經(jīng)運算單元4選擇、混合、計算后得到a，模擬電壓輸出的實際值經(jīng)輸入電路9、A/D轉(zhuǎn)換電路10、A/D轉(zhuǎn)換接口電路11、反饋給運算單元4。運算單元4按圖14所示程序流程控制BG1、BG2，使它們工作在飽和導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)之一，并且BG1導(dǎo)通時，BG2截止；BG2導(dǎo)通時，BG1截止，這樣便在BG1、BG2的集電極上得到上升沿和下降沿都很陡峭的脈沖電壓，經(jīng)低通濾波器8濾去脈沖電壓的高次諧波后就可得到模擬電壓輸出給負載RL。由上述工作過程可見，由于通過輸入電路9把模擬輸出電壓取樣后傳送給A/D轉(zhuǎn)換電路10，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后再給A/D轉(zhuǎn)換接口電路11轉(zhuǎn)換到運算單元4適合的格式和電平上并暫存于此供運算單元4隨時讀取。本發(fā)明把模擬輸出電壓經(jīng)取樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供運算單元4讀取的過程稱為電壓數(shù)字負反饋。由于采用了這一技術(shù)，使運算單元4能夠了解識別實際輸出值，并發(fā)出指令經(jīng)驅(qū)動接口電路5、驅(qū)動電路6、驅(qū)動電路7分別控制BG1和BG2的導(dǎo)通和截止，使實際輸出值與期望輸出值之間的偏差保持在一個可以接受的范圍內(nèi)，簡單地說偏差是受控的。為了便于以后的說明，把輸入電路1、A/D轉(zhuǎn)換電路2、A/D轉(zhuǎn)換接口電路3合并為模擬信號輸入模塊14，其作用是把外部輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成可供運算單元4識別和使用的數(shù)字信號；把驅(qū)動接口電路5、驅(qū)動電路6、驅(qū)動電路7、BG1、BG2、低通濾波器8合并為驅(qū)動輸出模塊16，其作用是按運算單元4的指令，控制模擬輸出滿足設(shè)計者的使用要求；把輸入電路9、A/D轉(zhuǎn)換電路10、A/D轉(zhuǎn)換接口電路11合并為電壓數(shù)字負反饋模塊17，其作用是把功放輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成可供運算單元4識別使用的數(shù)字信號，讓運算單元4了解、識別功放的模擬輸出，并根據(jù)偏差的大小發(fā)出控制指令控制驅(qū)動輸出模塊16，以此達到控制模擬輸出的目的；把并行接口電路12、串行接口電路13合并成為數(shù)字信號輸入模塊15，其作用是使外部輸入的數(shù)字信號能讓運算單元4所接受。經(jīng)上述合并后的原理框圖如圖2所示。
由圖2可見，采用電壓數(shù)字負反饋的數(shù)字功放由模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、驅(qū)動輸出模塊16、電壓數(shù)字負反饋模塊17、運算單元4構(gòu)成。模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、電壓數(shù)字負反饋模塊17的輸出端和驅(qū)動輸出模塊16的輸入端通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4相連，1號端子與模擬信號輸入模塊14的輸入端相連，2、3號端子與數(shù)字信號輸入模塊15的輸入端相連，電壓數(shù)字負反饋模塊17的輸入端與驅(qū)動輸出模塊16的輸出端相連，直流正電源與+Ee相連，直流負電源與-Ee相連，負載RL一端與驅(qū)動輸出16的輸出端相連，另一端與“地”相連。直流電源由+Ee、-Ee加入。模擬信號由1號端子輸入，并行數(shù)字信號由2號端子輸入、串行數(shù)字信號由3號端子輸入。模擬信號的輸出由驅(qū)動輸出模塊16完成。運算單元4具有數(shù)學運算和邏輯運算的功能和總線控制權(quán)，所有的外圍芯片或模塊都受它的控制。在圖1和圖2中對本發(fā)明所必須的電源、存貯器和系統(tǒng)時鐘等沒有表示出來。特別是存貯器，程序和數(shù)據(jù)(例如a、b、c、d等)都需要它存貯。圖中箭頭表示信號的流向。
實施例2 實施例1是采用電壓數(shù)字負反饋的例子。本實施例是采用電流數(shù)字負反饋的例子。為此，先說明電流數(shù)字負反饋的原理。電流數(shù)字負反饋的原理框圖如圖5所示；由圖5可見，電流傳感器21、輸入電路24、A/D轉(zhuǎn)換電路25、A/D轉(zhuǎn)換接口電路26順序連接并完成電流負反饋，電流傳感器21與負載RL相串聯(lián)，因此流過負載RL與流過電流傳感器21的電流相等，電流傳感器21可以是電阻、電流互感器，變壓器或光電耦合器件等，電流傳感器21與輸入電路24相配合，把負載電流轉(zhuǎn)換成適合于A/D轉(zhuǎn)換的信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路25轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接口電路26傳送給運算單元4，完成電流數(shù)字負反饋。為了簡化起見，把輸入電路24、A/D轉(zhuǎn)換電路25、A/D轉(zhuǎn)換接口電路26，合并為電流數(shù)字負反饋模塊23。圖5模塊化后的框圖如圖6所示。采用電流數(shù)字負反饋的數(shù)字功放的原理框圖如圖7所示。圖7是模塊化后的框圖。由圖7可見，本實施例由模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、運算單元4、驅(qū)動輸出模塊16、電流傳感器21、電流數(shù)字負反饋模塊23所構(gòu)成，直流電源分別由+Ee、-Ee加入。外部信號由1、2、3號端子輸入經(jīng)模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15傳送給運算單元4選擇、混合、計算后得到f，再與同時刻的i相減得到偏差j，并據(jù)此按照圖15所示的工作流程工作，將j控制在一個可以接受的范圍內(nèi)。對比圖2和圖7可見，本實施例即以實施例1為基礎(chǔ)，取消和去除電壓數(shù)字負反饋模塊17，增加電流傳感器21和電流數(shù)字負反饋模塊23而成。圖7中各部分的連接也以圖2為基礎(chǔ)，電流傳感器21為一電阻，一端與RL原來的接“地”端相連，另一端與“地”相連。電流負反饋模塊23的輸入端與RL和電流傳感器21的連接點相連；電流負反饋模塊23的輸出端通過總線與運算單元4相連。
實施例3 本實施例的原理框圖如圖8所示。由圖8可見，本實施例由模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、運算單元4、驅(qū)動輸出模塊16、電壓數(shù)字負反饋模塊17、電流傳感器21、電流負反饋模塊23所構(gòu)成。由圖8可見，本實施例的連接與構(gòu)成都是圖2與圖7的疊加而成。換句話說，本實施例是以實施例1為基礎(chǔ)，增加電流負反饋而成。其工作原理與過程也是實施例1和實施例2的綜合。外部信號由1、2、3號端子輸入，直流電源分別由+Ee、-Ee加入。本實施例按圖16所示的工作程序流程圖工作。由于本實施例同時采用電壓數(shù)字負反饋和電流數(shù)字負反貴，同一時刻電壓與電流的積等于這時刻的功率，因此本實施可稱為功率數(shù)字負反饋數(shù)字功放。
實施例4 本實施例是采用了可變電源供電的電壓數(shù)字負反饋的數(shù)字功放，原理框圖如圖9所示。由圖9可見，本實施例由模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、運算單元4、驅(qū)動輸出模塊16、驅(qū)動輸出模塊18、驅(qū)動輸出模塊20、電壓數(shù)字負反饋模塊17、電壓數(shù)字負反饋模塊19、電壓數(shù)字負反饋模塊22、正負直流電源+Ee、-Ee由相應(yīng)端子輸入。外部信號由1、2、3號端子輸入。本實施例實質(zhì)上是由圖2所示數(shù)字功放與圖3、圖4所示的可變電源組合而成。本實施例與前3個實施例的本質(zhì)上的區(qū)別是本實施例采用了可變電源為其供電。把圖3和圖4的組成元件和模塊以及接法作一對比可見，兩者的對應(yīng)部分，除了編號不同以外，元件和模塊以及接法都是一樣的，把圖2和圖3的組成元件和模塊以及接法作一對比，圖2比圖3只是多了模擬信號輸入模塊和數(shù)字信號輸入模塊，其余都一樣。由圖9可見，驅(qū)動輸出模塊1 8的輸出端與驅(qū)動輸出模塊16的正電源輸入端(這個端子在圖2中是+Ee)連接在一起；驅(qū)動輸出模塊20的輸出端與驅(qū)動輸出模塊16的負電源輸入端(這個端子在圖2中是-Ee)連接在一起。
功放的實質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換，如果負載是揚聲器，即將一組直流電源轉(zhuǎn)換為一種交流電源，推動負載實現(xiàn)電能——聲能的轉(zhuǎn)換；如果負載是電動機則實現(xiàn)電能——機械能的轉(zhuǎn)換。不同的負載對功放有不同的技術(shù)要求。例如當負載是揚聲器時，對功放的各種失真有比較嚴格的要求，設(shè)功放最大不失真功率電平為0db，功放的動態(tài)范圍為80db，則功放的最低輸出電平為-80db，再設(shè)采樣頻率為100KHz即采樣周期為10μs。容易知道數(shù)字功放高電平輸出時為了保證不產(chǎn)生截頂失真，功放的直流電源的電壓必須足夠高；如果功放低電平輸出時且采樣點位于正弦波過零點附近，那么直流電源在單位采樣周期內(nèi)向負載RL提供的能量必須很小，在直流電源電壓很高的條件下，直流電源提供的是很窄的能量脈沖。換句話說，如果圖1所示的數(shù)字功放由很高的直流電壓+Ee和-Ee供電，可確保高電平輸出時不產(chǎn)生截頂失真；當?shù)碗娖捷敵銮也蓸狱c位于正弦波過零點附近時，由于在本采樣周期內(nèi)直流電源的向負載RL提供的能量很小，那么BG1和BG2必須以很高的開關(guān)頻率工作才能滿足工作要求，如果BG1、BG2的性能不能滿足要求時，失真將不可避免。反言之，如果輸出高電平時由高電壓供電，則可避免截頂失真；輸出低電平時由低壓供電，則可避免由于BG1、BG2開關(guān)頻率過高引起的失真。因此大動態(tài)高保真功放最好采用可變電源供電。圖3、圖4分別是輸出為+E、-E的可變電源的原理框圖。把圖3、圖4與圖2對比可知，圖3、圖4只比圖2少了模擬信號輸入模塊和數(shù)字信號輸入模塊，其余的各功能模塊都一樣。名稱相同的模塊說明兩模塊的物理功能是相同的，編號不同則表示內(nèi)部參數(shù)可能不同。例如驅(qū)動輸出模塊16和驅(qū)動輸出模塊18就是名稱相同編號不同的兩個模塊，那么它們的物理功能是一樣的，而內(nèi)部參數(shù)可能不同。因此它們的工作原理與過程與圖2所示的數(shù)字功放極為相似即以電壓數(shù)字負反饋監(jiān)測模擬輸出，由運算單元4發(fā)出控制指令，把模擬輸出控制在一個可以接受的范圍內(nèi)。本實施例按圖17所示的工作程序流程工作。由于本實施例是圖2、圖3、圖4所示的數(shù)字功放與可變電源的組合，因此工作程序流程在完成系統(tǒng)初始化后隨即執(zhí)行圖14所示的工作程序流程，在圖17中這段工作程序流程由“數(shù)字功放工作程序流程”表示，執(zhí)行完圖14所示的工作程序流程后，并不是立即返回數(shù)字功放工作程序流程的循環(huán)體的入口，而是順序執(zhí)行可變電源的工作程序流程，執(zhí)行完后再返回數(shù)字功放工作程序流程的循環(huán)體的入口進行新的循環(huán)。
實施例5 本實施例是采用了可變電源供電的電流數(shù)字負反饋的數(shù)字功放，其原理框圖如圖10所示。由圖10可見本實施例由模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、運算單元4、電流數(shù)字負反饋模塊23、驅(qū)動輸出模塊18、驅(qū)動輸出模塊16、電壓數(shù)字負反饋模塊19、驅(qū)動輸出模塊20、電流傳感器21、電壓數(shù)字負反饋模塊22組成，直流電源由+Ee、-Ee加入，外部信號由1、2、3號端子輸入。本實施例其實就是以圖7所示的電流數(shù)字負反饋功放為基礎(chǔ)，增加圖3、圖4所示的可變電源為驅(qū)動輸出模塊16供電組合而成，其連接關(guān)系是驅(qū)動輸出模塊18的輸出端與驅(qū)動輸出模塊16的正電源端(即圖7中的+Ee)相連；驅(qū)動輸出模塊20的輸出端與驅(qū)動輸出模塊16的負電源端(即圖7中的-Ee)相連。本實施例按圖17所示的工作程序流程工作，與實施例4不同的是圖17中“數(shù)字功放工作程序流程”表示的是圖15所示的工作程序流程。本實施例的工作原理和過程和前面幾個實施例極為相似。
實施例6 本實施例是采用了可變電源供電的功率數(shù)字負反饋的數(shù)字功放，其硬件原理框如圖11所示。由圖11可見，本實施例由模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、運算單元4、驅(qū)動輸出模塊16、電壓數(shù)字負反饋模塊17、電流傳感器21、電流數(shù)字負反饋模塊23、電壓數(shù)字負反饋模塊19、電壓數(shù)字負反饋模塊22、驅(qū)動輸出模塊18、驅(qū)動輸出模塊20所構(gòu)成。正負直流電源由+Ee、-Ee加入，外部信號由1、2、3號端子輸入，輸出信號由驅(qū)動輸出模塊16輸出給負載RL。由圖11可見，本實施例是以實施3為基礎(chǔ)增加可變電源供電而成，其連接關(guān)系是驅(qū)動輸出模塊18的輸出端子與驅(qū)動模塊16的正電源端(即圖8中的+Ee)相連，驅(qū)動輸出20的輸出端子與驅(qū)動模塊16的負電源端(即圖8中的-Ee)相連。本實施例的工作過程和工作原理與前面幾個實施例頗為相似。本實施例按圖17所示的工作程序流程圖工作。本實施例在執(zhí)行圖17的工作程流程時，圖中“數(shù)字功放工作程序流程”表示的是圖16所示的工作程序流程。
實施例1、實施例2、實施例3由于采用直流電源供電，故只需執(zhí)行“數(shù)字功放工作程序流程”即可。按圖12所示的數(shù)字功放工作程序流程簡圖工作；實施例4、實施例5、實施例6分別是在實施例1、實施例2、實施例3的基礎(chǔ)上改直流電源供電為可變電源供電而成，故在執(zhí)行完“數(shù)字功放工作程序流程”后，尚需執(zhí)行“可變電源工作程序流程”，然后再返回至“數(shù)字功放工作程序流程”的循環(huán)體入口處執(zhí)行下一個循環(huán)，故須按圖13所示的數(shù)字功放工作程序流程簡圖工作。
由于本發(fā)明的核心運算單元4的實質(zhì)是工作于數(shù)字狀態(tài)的微處理器。微處理器在本發(fā)明的采用，并且在存貯器等其它器件的配合下，其實質(zhì)體現(xiàn)了計算機技術(shù)在功率放大器中的應(yīng)用，使得本發(fā)明在功能和概念上突破了原來的模擬功放的功能和概念，原來的模擬功放基本上是一線性時不變系統(tǒng)，有輸入才有輸出，而本發(fā)明因為應(yīng)用了計算機技術(shù)，使得可以將模擬輸出期望值事先存于存貯器中，而不是必須經(jīng)過1、2、3號端子實時地輸入模擬輸出期望值功放才能有所輸出。當模擬輸出期望值為一常數(shù)時，本發(fā)明通過數(shù)字負反饋的作用具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流和穩(wěn)功率的功能，使得本發(fā)明可以成為一種穩(wěn)壓(或穩(wěn)流、穩(wěn)功率)電源；當模擬輸出為一周期性函數(shù)(如正弦函數(shù))時，本發(fā)明還可以作為信號發(fā)生器。由于計算機技術(shù)和數(shù)字負反饋技術(shù)的采用，使得本發(fā)明不光可以作為傳統(tǒng)意義上的功放，而且還可以作為具有穩(wěn)定輸出的電源以及作為信號發(fā)生器使用，另外本發(fā)明還可以有多個模擬輸出端。圖18是具有對稱三相輸出的數(shù)字功放原理框圖。
由圖18可見，具有對稱三相輸出的數(shù)字功放由運算單元4，驅(qū)動輸出模塊27、驅(qū)動輸出模塊28、驅(qū)動輸出模塊29、電壓數(shù)字負反饋模塊30、電壓數(shù)字負反饋模塊31、電壓數(shù)字負反饋模塊32、RA、CA、RB、CB、RC、CC等構(gòu)成。RACA、RBCB、RCCC分別組成A相、B相、C相的低通濾波器。+Ee、-Ee是直流電源。驅(qū)動輸出模塊27、驅(qū)動輸出模塊28、驅(qū)動輸出模塊29的輸入端，電壓數(shù)字負反饋模塊30、電壓數(shù)字負反饋模塊31、電壓數(shù)字負反饋模塊32的輸出端通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4相連。驅(qū)動輸出模塊27、驅(qū)動輸出模塊28、驅(qū)動輸出模塊29內(nèi)的低通濾波器取消后用短接線代替。驅(qū)動輸出模塊27、驅(qū)動輸出模塊28、驅(qū)動輸出模塊29的輸出端分別與電阻RC、RB、RA的一端相連。CARLA、CBRLB、CCRLC分別并聯(lián)后一端與RA、RB、RC的另一端分別相連，另一端與“地”相連。電壓數(shù)字負反饋模塊30、電壓數(shù)字負反饋模塊31、電壓數(shù)字負反饋模塊32的輸入端分別與RLA、RLB、RLC的非接地端相連。
以下符號的定義，僅適用于具有對稱三相輸出的數(shù)字功放及其工作程序流程圖Um 對稱三相交流輸出的最大值，單位為伏(V)ω 對稱三相交流輸出的角頻率，單位為弧度/秒(rad/s)RLA、RLB、RLC分別為A、B、C三相的負載，單位為歐(Ω)RA、RB、RC分別為A、B、C三相低通濾波器的電阻。單位為歐(Ω)CA、CB、CC分別為A、B、C三相低通濾波器的電容。單位為法(F)uA(t)、uB(t)、uC(t) 分別為A、B、C三相的電壓瞬時值，單位為伏(V)PA、PB、PC分別為本循環(huán)周期內(nèi)(從t0到t0+t1時間內(nèi))，RLA、RLB、RLC消耗的電功(或電能)期望值，單位為焦(J)t0圖19所示程序上一循環(huán)周期末本循環(huán)周期開始的時刻。
t1圖19所示程序一個循環(huán)周期所用的時間，單位為秒(s)。
t2A、t2B、t2C分別為本周期內(nèi)A、B、C三相末級功管的導(dǎo)通時間，單位為秒(s)。
EA、EB、EC分別是直流電源在本循環(huán)周期內(nèi)(從t0到t0+t1內(nèi))向A相、B相、C相輸出的電功，單位是焦(J)。
XA、XB、XC分別是本循環(huán)周期內(nèi)(從t0到t0+t1周期內(nèi))濾波電阻RA、RB、RC消耗的電功，單位是焦(J)。
YA、YB、YC分別是本循環(huán)周期內(nèi)(從t0到t0+t1周期內(nèi))濾波電容CA、CB、CC貯能的增量，單位是焦(J)。
KA、KB、KC分別是A、B、C三相本循環(huán)周期內(nèi)(從t0到t0+t1周期內(nèi))輸出電功的期望值與實際值之間的偏差，單位是焦(J)。
KA0、KB0、KC0分別是A、B、C三相上周期內(nèi)(t0-t1到t0)輸出電功的期望值與實際值之間的偏差，單位是焦(J)。
VA(t0)、VB(t0)、VC(t0) 分別是A、B、C三相上周期末模擬電壓輸出的實際值，單位為伏(V)。
VA(t0+t1)、VB(t0+t1)、VC(t0+t1) 分別是A、B、C三相本周期末模擬電壓輸出的實際值，單位為伏(V)。
VA(t0+t2)、VB(t0+t2)、VC(t0+t2) 分別是A、B、C三相本周期內(nèi)末級功放管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時模擬電壓輸出的實際值，單位為伏(V)。PA≈{Umsinωt0+Umsinω(t0+t1)2}2RLA·t1]]>QA≈{VA(t0)+VA(t0+t1)2}2RLA·t1]]>EA≈+Ee·[+Ee-VA(t0)]+[+Ee-VA(t0+t2A)]2RA·t2A]]>≈+Ee·[+Ee-VA(t0)]RA·t2A]]>XA={[+Ee-VA(t0)]+[+Ee-VA(t0+t2A)]2}2RA·t2A]]>≈[+Ee-VA(t0)]2RA·t2A]]>YA=12CA[V(t0+t1)]2-12CA[V(t0)]2]]>≈0]]>KA＝PA-QA根據(jù)能量守恒有EA＝PA+KA0+XA+YA≈PA+KA0+XA因此t2A≈{Umsinωt0+Umsinω(t0+t1)}2RLA·t1+KA0+Ee[+Ee-VA(t0)]-[+Ee-VA(t0)]2RA]]>“≈”表示“近似于”，以上數(shù)學表達式的近似條件為t1<<2πω]]>和C足夠大，并以+Ee供電為條件定義或?qū)С龅?。B相和C相以及由-Ee供電有類似的表達式。由EA的數(shù)學表達式可知，EA＝f(t2A)?？刂苩2A即控制了在本周期內(nèi)電源向A相提供的能量，這是非常重要的，也是本發(fā)明的精髓所在，即控制末級功放管(電源調(diào)整管)在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間也就控制了本周期內(nèi)電源向負載提供的能量，這正是本發(fā)明所追求的技術(shù)目標。
顯然，具有對稱三相輸出的數(shù)字功放還可以采用電流數(shù)字負反饋和功率數(shù)字負反饋與采用可變電源分別為A相、B相、C相的末級功放管供電。
具有對稱三相輸出的數(shù)字功放的工作過程和原理如下在存貯器中存有可供圖19所示流程圖調(diào)用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有些是實時數(shù)據(jù)而有些則是非實時的，非實時數(shù)據(jù)可以通過鍵盤等設(shè)備輸入存貯器供運算單元4調(diào)用。并且按圖19所示的工作程序流程圖工作。
以上本發(fā)明描述了實施例1至實施例6和具有對稱三相輸出的數(shù)字功放，雖然它們之間存在區(qū)別與不同，但有以下幾點是共同的1、采用了工作于數(shù)字狀態(tài)(而非摸擬狀態(tài))并具有數(shù)學運算和邏輯運算功能的運算單元4，運算單元4的采用標志了計算機技術(shù)在本發(fā)明的應(yīng)用。2、把擬控制的模擬量(電壓、電流、功率)通過A/D轉(zhuǎn)換傳送至運算單元4完成數(shù)字負反饋。3、末級功放管工作于開關(guān)狀態(tài)。具有對稱三相輸出的數(shù)字功放，也可以采用實施例1到實施例6的思想和方案編寫工作程序流程。實施例1至實施例6也可以采用具有對稱三相輸出的數(shù)字功放工作原理和過程并套用具有對稱三相輸出的數(shù)字功放的編程思想方法。實施例之間、實施例與具有對稱三相輸出的數(shù)字功放在硬件和軟件的具體方法和具體思想上是完全可以互相借鑒、互相套用乃至互相模仿的。
還需說明的是運算單元4是本發(fā)明的核心，所有的外圍芯片在邏輯上都受它的控制，它可以用所有具有邏輯運算功能，并符合性能要求的芯片實現(xiàn)，例如美國的德州儀器公司的dsp芯片和intel公司的電腦cpu都具有這種功能。本發(fā)明各硬件圖中的各個功能框只是為了表達的方便而設(shè)，實際上它們完全可以根據(jù)需要集成于一至數(shù)片芯片中，有些功能框的名稱相同(例如輸入電路1和輸入電路9等)只是說明它們的功能相同，并不代表參數(shù)和芯片相同。圖中的BG1 BG2用的是雙極型晶體管共射接法，實際上也可以用場效應(yīng)管、IGBT管或其它功率器件，也可以用共集(或共源、共漏)等接法。本發(fā)明數(shù)字功放和可變電源共同用一個運算單元，也可以數(shù)字功放部份的運算單元作為主運算單元，兩個可變電源(即圖3和圖4所示部份)的運算單元作為從運算單元，兩個可變電源(即圖3和圖4所示部份)各用一個運算單元，組成主從運算單元的多運算單元結(jié)構(gòu)。本發(fā)明也可以個人電腦、工控機和工作站為基礎(chǔ)配上合適的接口板卡實現(xiàn)。
運算單元4在計算模擬電壓輸出期望值a、模擬輸出電流期望值f、模擬功率輸出期望值p、可變電源輸出+E、-E時充分考慮了低通濾波器和負載RL的電抗部分產(chǎn)生的信號遲延時間以及負載的反電勢影響和數(shù)字負反饋的采樣頻率高于輸入信號的采樣頻率的超取樣情況所產(chǎn)生的影響，使數(shù)字功放穩(wěn)定工作，這層考慮在工作程序流程中由初始化來體現(xiàn)。
模擬輸出的期望值和實際值是同一時刻的瞬時值，它們之間沒有時間上的遲延。各實施例中電流傳感器是以電阻為例，設(shè)它的阻值為R，R≤12RL.]]>RL兩端的電壓URL＝a-iR。流程圖中的各種常數(shù)和關(guān)系式可以根據(jù)需要作適當?shù)恼{(diào)整。
關(guān)于功放的輸入信號，除了傳統(tǒng)的外部輸入外，本發(fā)明還可將模擬輸出期望值存貯于內(nèi)存中，供運算單元4讀取，如果模擬輸出期望值為一常數(shù)，則本功放成為一臺有穩(wěn)定電壓、電流或功率的穩(wěn)定電源，本發(fā)明的實質(zhì)是利用數(shù)字負反饋對模擬輸出在一個采樣周期內(nèi)功放輸出供給負載的電能多少進行監(jiān)測，若這一采樣周期供給負載的能量偏多，則下一周期適當減少，反之亦然。保持在一定時間內(nèi)，功放供給負載能量的實際值與期望值之間的偏差的絕對值非常小，以此來滿足實際應(yīng)用的要求，工作流程亦據(jù)此編寫。由于本發(fā)明較為復(fù)雜，為避免圖中元素過小而不清晰，說明書采用了分圖和組合圖的處理方法。說明書附圖中各元素間內(nèi)部連接由各分圖表示清楚，各分圖的外部連接則由組合圖表示，并在說明書中說明各實施例的構(gòu)成元素。
實施例1、實施例2、實施例3分別采用了電壓數(shù)字負反饋、電流數(shù)字負反饋和功率數(shù)字負反饋。本發(fā)明把這三種負饋統(tǒng)稱為數(shù)字負反饋。輸入電路的作用是把模擬量調(diào)理到適合于A/D轉(zhuǎn)換的形式和幅度上，各種接口電路的作用是把各種數(shù)字信號的格式和幅度轉(zhuǎn)換到適合于與運算單元4進行數(shù)據(jù)和信息的交流的格式和幅度上，驅(qū)動電路的作用是驅(qū)動開關(guān)管的飽和導(dǎo)通與截止，BG1、BG2是開關(guān)管，起大功率開關(guān)的作用。如果芯片間的數(shù)字信號的交流能順利進行，即芯片能實現(xiàn)無縫連接，則接口電路并非必需，輸入電路也同此例。
輸入電路可用比例放大電路或電阻衰減網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。各個實施例和具有對稱三相輸出的數(shù)字功放的負載都有一端(或通過電流傳感)器接“地”，如果把接“地”端由另一驅(qū)動輸出模塊驅(qū)動，并且電信號與原非接“地”端驅(qū)動輸出模塊的輸出信號反相，則可構(gòu)所“橋”式驅(qū)動。
實施例6硬件框圖如圖11所示，其連接關(guān)系前面已有說明，再用另一種方式說明于下以運算單元4為硬件核心，模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、電壓數(shù)字負反饋模塊17、電壓數(shù)字負反饋模塊19、電壓數(shù)字負反饋模塊22、電流數(shù)字負反饋模塊23的輸出端通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4連接，驅(qū)動輸出模塊16、驅(qū)動輸出模塊18、驅(qū)動輸出模塊20的輸入端也通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4連接，模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15的輸入端分別與1、2、3號端子相連，電流傳感器21與負載RL串聯(lián)，電流傳感器21一端與“地”相連，另一端與RL相連，RL的另一端與驅(qū)動輸出模塊16的輸出端相連，驅(qū)動輸出模塊18的輸出端與驅(qū)動輸出模塊16的正電源輸入端相連，驅(qū)動輸出模塊20的輸出端與驅(qū)動輸出模塊16的負電源輸入端相連，電壓數(shù)字負反饋模塊17的輸入端與驅(qū)動輸出模塊16的輸出端相連，電壓數(shù)字負反饋模塊19的輸入端與驅(qū)動輸出模塊18的輸出端相連，電壓數(shù)字負反饋模塊22與驅(qū)動輸出模塊20的輸出端相連，電流數(shù)字負反饋模塊23的輸入端與電流傳感器21的非接“地”端相連。實施例6采用了電壓數(shù)字負反饋、電流數(shù)字負反饋和可變電源其連接關(guān)系也最復(fù)雜，其它實施例的連接關(guān)系如有不清楚的地方，也可以以它為準。
A/D轉(zhuǎn)換的采樣頻率在1KHz到800KHz之間；采樣位數(shù)在8位到24位之間。
權(quán)利要求
1.一種具有數(shù)字負反饋的數(shù)字功率放大器，以運算單元4為硬件核心，模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、電壓數(shù)字負反饋模塊17、電壓數(shù)字負反饋模塊19、電壓數(shù)字負反饋模塊22、電流數(shù)字負反饋模塊23的輸出端通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4連接，驅(qū)動輸出模塊16、驅(qū)動輸出模塊18、驅(qū)動輸出模塊20的輸入端也通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4連接，模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15的輸入端分別與1、2、3號端子相連，電流傳感器21與負載RL串聯(lián)，電流傳感器21-端與“地”相連，另一端與RL相連，RL的另一端與驅(qū)動輸出模塊16的輸出端相連，驅(qū)動輸出模塊18的輸出端與驅(qū)動輸出模塊16的正電源輸入端相連，驅(qū)動輸出模塊20的輸出端與驅(qū)動輸出模塊16的負電源輸入端相連，電壓數(shù)字負反饋模塊17的輸入端與驅(qū)動輸出模塊16的輸出端相連，電壓數(shù)字負反饋模塊19的輸入端與驅(qū)動輸出模塊18的輸出端相連，電壓數(shù)字負反饋模塊22與驅(qū)動輸出模塊20的輸出端相連，電流數(shù)字負反饋模塊23的輸入端與電流傳感器21的非接“地”端相連，其特征是所有數(shù)字負反饋模塊中都含有A/D轉(zhuǎn)換電路。
全文摘要
一種具有數(shù)字負反饋的數(shù)字功率放大器、模擬信號輸入模塊14、數(shù)字信號輸入模塊15、電壓數(shù)字負反饋模塊17的輸出端和驅(qū)動輸出模塊16的輸入端通過數(shù)據(jù)總線與運算單元4相連，負載Rl一端與驅(qū)動輸出模塊16的輸出端相連，另一端與“地”相連，直流電源由+Ee、－Ee加入，外部信號由1、2、3號端子輸入，經(jīng)運算單元4選擇、混合、計算后得到模擬輸出期望值，模擬輸出的實際值經(jīng)電壓數(shù)字負反饋模塊17反饋至運算單元4，經(jīng)計算偏差后發(fā)出的控制指令控制驅(qū)動輸出模塊內(nèi)末級功放管的導(dǎo)通與截止，經(jīng)驅(qū)動輸出模塊16內(nèi)的低通濾波器濾去高次諧波后得到模擬輸出。
文檔編號H03F3/20GK1466266SQ0213342
公開日2004年1月7日 申請日期2002年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月3日
發(fā)明者羅代云 申請人:羅代云